¿Cómo funciona una célula? Fisiología celular

Antonio Peña

• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Año: 2013
• ISBN:
  9786071603708
• Categoría: Ciencias biológicas
• Categoría: Biología celular

El doctor Peña procura acercar al lector al conocimiento de algunas de las funciones generales de las células, de modo que pueda asomarse al mundo maravilloso de las estructuras y las funciones tan extraordinarias que tienen cabida en un espacio tan pequeño, y que comprenden una serie gigantesca de transformaciones químicas y gran número de interacciones entre moléculas, mundo en el cual no es posible diferenciar entre la bioquímica, la biología molecular y la fisiología de las células.

III. Los componentes celulares

Aunque se han esbozado algunas funciones de los componentes celulares, en este capítulo se intentará detallar las principales funciones de las estructuras de una célula. Empezaremos de afuera hacia dentro, a partir de la pared celular, esa envoltura protectora que recubre a la membrana pero que no todas las células tienen, y terminaremos con el núcleo y el citosol. Debe quedar claro que no en todas las células existen los mismos componentes; por ejemplo, el cloroplasto sólo está presente en la célula vegetal. En las bacterias, por otra parte, sólo hay membranas y citosol, pues en éstas ni siquiera el núcleo tiene una estructura definida.

LA PARED CELULAR Y LA PROTECCIÓN DE LAS CÉLULAS

Las bacterias, como muchos otros microorganismos, y las células vegetales están cubiertas por una membrana plasmática relativamente débil y semejante a la de muchas otras células. Sin embargo, por sus propias características de vida libre y por estar sujetos a una variedad muy grande de ambientes (muchos de ellos con un bajo contenido de sales) dichos organismos requieren, además de la membrana, de una pared protectora adicional. La figura III.1 es una micrografía de la pared celular del quiste de una amiba; ésta es una estructura de fibras entrecruzadas, todas de polímeros de azúcares, que sirven para proteger a esta forma de gran resistencia en esta etapa de la vida del parásito.

La pared celular funciona en parte como protección mecánica, pero su papel principal es proteger a la célula de los cambios en la presión osmótica interna, generada por la gran cantidad de sustancias que contiene, cuando en el exterior hay una baja concentración de sustancias disueltas. Hay que tener presente que las sustancias disueltas en cualquier célula se comportan como las moléculas de un gas comprimidas dentro de un tanque y generan una presión sobre la membrana. Si un microorganismo o una levadura, o el quiste de una amiba, se colocan en agua, se produce una presión interna de varias atmósferas, debido a la cantidad de sustancias disueltas en el interior. Si no existiera una pared adicional de gran resistencia, de inmediato se produciría la ruptura de la membrana celular. Para tener idea de la presión que se puede desarrollar en un microorganismo en esas condiciones, se le puede comparar con la del neumático de un coche, que se llena de aire a una presión aproximada de dos atmósferas. En este caso, la resistencia de la pared evita que estalle. En las células vegetales y en los microorganismos, la presión osmótica que se ejerce sobre la pared es mucho mayor: llega a ser del orden de 15 a 20 atmósferas cuando se les coloca en el agua. No es difícil imaginar la resistencia que debe tener la pared para evitar que la célula estalle. Podemos hacer un experimento que consiste en colocar levaduras en agua y observarlas en el microscopio; veremos que resisten perfectamente. Si hacemos lo mismo con los glóbulos rojos de la sangre (eritrocitos), veremos que, al no tener la pared celular, se hinchan primero y luego se rompen; podemos decir que estallan por la entrada de agua, resultado de la presión osmótica de sus solutos.

La naturaleza nos ofrece muchos ejemplos de la importancia de la pared celular. Numerosas células viven en medios hipotónicos, prácticamente en agua pura; en el caso de las amibas, por ejemplo, la forma de transmisión de unos individuos a otros es el quiste, que, rodeado de su pared tan fuerte, puede resistir esas presiones. Los antibióticos más conocidos, la penicilina y muchos de sus derivados, actúan bloqueando la síntesis de los componentes de la pared celular de algunas bacterias. En presencia del antibiótico, éstas se desarrollan sin esa protección y mueren en ambientes de menor presión osmótica.

FIGURA III.1. La pared celular del quiste de una amiba. Una resistente malla de fibras de azúcares polimerizados protege a estas y muchas otras células del daño que un ambiente adverso les puede causar.

LA MEMBRANA CELULAR

Como ya se mencionó, durante mucho tiempo se consideró a la membrana celular como una estructura inerte, si acaso con poros más o menos específicos para la entrada y la salida, mediante mecanismos poco claros, de los diferentes materiales que la célula debe expulsar o captar del medio en que se encuentra. En la época moderna este concepto ha cambiado (véase la introducción), y el modelo actual es el de una estructura fundamental, constituida por fosfolípidos, en la cual se encuentran embebidas muchas otras moléculas, sobre todo proteínas, que tienen diferentes funciones.

El lector interesado puede consultar en esta misma colección el volumen 18, Las membranas de las células, donde se estudian con mucho más detalle las funciones de estas estructuras.

La mayor parte de las células mantiene en su citoplasma una composición y, casi siempre, una concentración de sustancias disueltas muy diferente del medio que las rodea; aun en las células de los animales superiores, que viven en un ambiente prácticamente sin cambios, la composición del citoplasma celular también es muy diferente de la del medio que las rodea. Hasta cierto punto es sencillo imaginar que la membrana de la célula impida la salida o la entrada de las moléculas de gran tamaño, como las proteínas, los ácidos nucleicos o los polisacáridos; pero la impermeabilidad es tal que también las moléculas pequeñas —que debido a su carga eléctrica están rodeadas de capas de agua— se mantienen de un lado o del otro de la membrana. Por lo anterior se requieren mecanismos especiales para el movimiento de sustancias hacia cualquier lado de la membrana, pero que al mismo tiempo puedan distinguir entre unas y otras; como es lógico, son muchísimas las moléculas o los iones que deben transportarse en ambos sentidos a través de las membranas. El caso más simple es aquel en que las sustancias cruzan la membrana del lado donde se encuentran en mayor concentración hacia aquel en que ésta es menor. Estos movimientos a través de las membranas se conocen con el nombre de transporte.

El fenómeno del transporte a través de una membrana puede ocurrir de manera muy sencilla. Para atravesar la doble capa de fosfolípidos que constituye la base estructural de la membrana y la separación entre ambos lados, una molécula o un ion requieren de un sistema de transporte, o acarreador, o un poro específico, capaz de permitirle el paso de un lado al otro. Estos sistemas de transporte, para permitir el paso de la sustancia en cuestión, primero deben reconocerla entre un sinnúmero de otras moléculas que se encuentran en los líquidos que bañan a las células o que están en su interior.

El transporte puede tener dos variantes. En un caso se trata de una sustancia que ha de pasar de una mayor concentración a una menor, es decir, a favor de su tendencia natural, igual que las moléculas de una gota de tinta en agua que, por su energía cinética y el constante movimiento derivado de ella, se mueven de donde hay más hacia donde hay menos, para finalmente llegar a una concentración igual en toda la solución. Las moléculas de proteína son las que se encargan de estos procesos de transporte; es de esperar que el acarreador sea una molécula relativamente simple, que lo único que debe hacer es seleccionar las sustancias que deben pasar y dejar que lo hagan según su tendencia natural. En este caso hablamos de la existencia de sistemas de difusión facilitada.

Otra variante del transporte, que no es rara en las células y en los microorganismos, es aquella en la cual se captura una sustancia que se encuentra en el medio a una concentración relativamente baja, y se introduce en la célula, donde la concentración es mucho mayor. Tal vez el caso más frecuente sea el del ion del potasio (K⁺), y el de otros materiales, que en el interior de muchas células se encuentran en concentraciones mayores que en el ambiente. Dado que aquí el transporte se realiza en contra del gradiente de concentración, los componentes de la membrana deben invertir energía para llevarlo a cabo. En numerosas ocasiones el sistema de transporte mismo es capaz de utilizar directamente la energía de la hidrólisis del ATP (adenosín trifosfato) u otras formas de energía para llevar a cabo su tarea. A estos transportadores se les llama translocadores primarios; en la figura III.2 se ilustran las dos variantes de transporte que hemos descrito.

En Las membranas de las células se describen con mayor detalle estos y otros mecanismos generales del transporte a través de las membranas.

Al margen de la posibilidad de transportar sustancias en un sentido y en otro, previo reconocimiento de las mismas, las membranas tienen también la posibilidad de reconocer, con fines definidos, a otras sustancias para establecer comunicación con el exterior. Quizá el caso más claro y conocido es el de las hormonas, que en realidad constituyen un medio por el cual muchas células pueden recibir señales u órdenes del exterior; y no sólo eso, como consecuencia de la interacción con ellas producen respuestas concretas, como cambios fisiológicos o metabólicos, algunos de los cuales llegan a producir cambios profundos en un individuo. Un ejemplo de estos efectos es el de la insulina, hormona producida por el páncreas, que aumenta la velocidad con que la glucosa entra a las células, principalmente las musculares y las adiposas, con la participación de receptores específicos en la membrana celular. Al ser éste un mecanismo normal de modular el comportamiento metabólico de las células, cuando falta en forma total o disminuye la producción de la hormona los trastornos se traducen en el padecimiento llamado diabetes. En esta enfermedad, al no poder entrar la glucosa a muchas de las células, aumenta su concentración en la sangre y rebasa la capacidad del riñón para reabsorberla del plasma que filtra constantemente; ello da lugar a que esta sustancia se pierda por la orina, que al estar acompañada de agua, aumenta así su cantidad. Debido a que se pierde mucha agua y glucosa, los enfermos constantemente tienen sed y hambre y su organismo debe utilizar las grasas como fuente principal de energía. En resumen, la falta o deficiencia de una sola hormona produce cambios grandes y complejos en las células y en el organismo completo.

FIGURA III.2. Un translocador o acarreador simple sólo reconoce a las moléculas que ha de dejar pasar, y les permite el paso a través de la membrana. Un translocador primario necesita de una fuente de energía, que puede ser el ATP o la derivada del transporte de los electrones. Otros acarreadores solamente son verdaderos poros que, sin embargo, pueden distinguir entre unas sustancias y otras.

También existen sistemas especiales de reconocimiento que permiten la agregación de las células que son semejantes. Esta es la razón por la cual, por ejemplo, las células hepáticas o las renales se reconocen entre sí, pero además cuentan con mecanismos para adherirse entre ellas. Inclusive, organismos tan primitivos como las esponjas tienen sistemas de reconocimiento que permiten la adhesión de células de la misma especie y que impiden la adhesión entre otras diferentes.

Algunas membranas participan en funciones todavía más especializadas, como la movilidad de los leucocitos, las amibas y otros protozoarios con movimiento amiboide; las membranas de las mismas células musculares deben establecer contactos entre los materiales contráctiles del interior con la membrana para producir efectivamente la contracción o el acortamiento de la fibra. En otras células, es papel de la membrana eliminar al exterior o tomar de él sustancias mediante la formación de vesículas que se producen al englobarlas; la fagocitosis, o endocitosis, y la exocitosis son ejemplos de este fenómeno; en la primera, la membrana envuelve a una partícula, sustancia o grupo de ellas, luego se cierra a su alrededor para finalmente formar una vesícula que se desprende de la membrana y pasa al citoplasma, creando una vacuola digestiva mediante la interacción de esa vesícula con un lisosoma (figura III.3). Es lógico suponer que funciones como las descritas implican la participación de muchos componentes, los cuales hacen de la membrana celular una estructura más compleja todavía.

En las bacterias, la membrana externa debe suplir la carencia de los organelos en su interior, con el fin de encargarse de un buen número de funciones que en otras células y organismos están asignadas a ellos. Como se verá más adelante, la fosforilación oxidativa y la fotosíntesis son funciones que se realizan en las mitocondrias y en los cloroplastos, respectivamente. Para que estas funciones se realicen es necesario un comportamiento o estructura membranosa cerrada, pero como las bacterias no cuentan más que con la membrana externa, es ahí donde tienen lugar. La semejanza entre la membrana externa de las bacterias y la membrana interna de las mitocondrias, además de otras evidencias, han dado lugar a que se considere, con cierto grado de certeza, que las mitocondrias y los cloroplastos son el resultado de la inclusión de bacterias en el interior de las células primitivas.

LOS ORGANELOS CELULARES

Bajo la denominación de organelos celulares se incluye una serie de estr...